ES2380721T3 - Length measuring device - Google Patents
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Abstract
Description
Dispositivo de medición de longitud Length measuring device
5 La invención se refiere a un dispositivo de medición de longitud según el preámbulo de la reivindicación 1. The invention relates to a length measuring device according to the preamble of claim 1.
Los dispositivos de medición de longitud de este tipo, tal como se describen por ejemplo en el documento DE 28 10 341 C2, sirven para la medición de longitudes así como recorridos y se utilizan especialmente en máquinas de mecanizado para la medición del movimiento relativo de una herramienta con respecto a una pieza que va a mecanizarse, en máquinas de medición de coordenadas y cada vez con más frecuencia también en la industria de los semiconductores. Length measurement devices of this type, as described for example in DE 28 10 341 C2, are used for measuring lengths as well as paths and are especially used in machining machines for measuring the relative movement of a tool with respect to a piece to be machined, in coordinate measuring machines and with increasing frequency also in the semiconductor industry.
A este respecto como representación de medición se usa una regla graduada con una graduación de medición que está protegida frente a las influencias medioambientales y que está alojada en una carcasa que se extiende 15 longitudinalmente en la dirección de medición. Para la fabricación sencilla y rentable, la carcasa es un perfil extruido de material no magnético, especialmente aluminio. La graduación de medición que está codificada por incrementos In this regard, as a measurement representation, a graduated ruler is used with a measurement graduation that is protected against environmental influences and that is housed in a housing that extends longitudinally in the measurement direction. For simple and cost-effective manufacturing, the housing is an extruded profile of non-magnetic material, especially aluminum. The measurement graduation that is encoded by increments
o de manera absoluta, se explora por un carro de exploración durante la medición de posición. Para ello se guía longitudinalmente en la dirección de medición el carro de exploración en dos superficies guía de la regla graduada que discurren en perpendicular entre sí y se presiona contra las mismas. Este guiado ha dado buen resultado, ya que está garantizado que a lo largo de toda la longitud de medición se mantiene una distancia de exploración constante entre el carro de exploración, especialmente la placa de exploración, y la regla graduada, lo que garantiza una buena calidad de las señales de exploración. El guiado del carro de exploración está desacoplado del guiado del objeto que va a medirse, estando previsto entre el objeto que va a medirse y el carro de exploración un mecanismo de arrastre con un acoplamiento que acopla el carro de exploración al mecanismo de arrastre en la dirección de or absolutely, it is scanned by an exploration car during position measurement. For this, the scanning carriage is guided longitudinally in the measuring direction on two guide surfaces of the graduated ruler that run perpendicular to each other and is pressed against them. This guidance has given good results, since it is guaranteed that throughout the entire measurement length a constant scanning distance is maintained between the scanning car, especially the scanning plate, and the graduated ruler, which guarantees a good quality of the scanning signals. The guidance of the scan carriage is decoupled from the guidance of the object to be measured, with a drive mechanism with a coupling that couples the scan carriage to the drive mechanism being provided between the object to be measured and the scan carriage. direction of
25 medición de manera rígida y de manera flexible en perpendicular a la misma. El apriete del carro de exploración, es decir, la generación de la fuerza de apriete contra las dos superficies guía de la regla graduada perpendiculares entre sí, tiene lugar en el estado de la técnica mediante un brazo de resorte (documento DE 23 49 944 A1) o mediante varios muelles de apriete, estando previsto para cada una de las superficies guía un muelle propio (documento DE 28 10 341 C2), cuya fuerza de apriete está dirigida sobre la superficie guía respectiva. Estos muelles orientados en perpendicular entre sí están dispuestos por regla general entre el carro de exploración y el mecanismo de arrastre, esto lleva a que la distancia entre el carro de exploración y el mecanismo de arrastre influya sobre las fuerzas de apriete. Las tolerancias de montaje deben seleccionarse por lo tanto de forma que sean especialmente pequeñas. 25 measurement rigidly and flexibly perpendicular to it. The tightening of the scanning carriage, that is, the generation of the tightening force against the two guide surfaces of the graduated ruler perpendicular to each other, takes place in the state of the art by means of a spring arm (DE 23 49 944 A1 ) or by means of several tightening springs, an own spring being provided for each of the guide surfaces (DE 28 10 341 C2), whose tightening force is directed on the respective guide surface. These springs oriented perpendicular to each other are generally arranged between the scanning carriage and the drive mechanism, this leads to the distance between the carriage scanning and the drive mechanism influencing the clamping forces. Mounting tolerances must therefore be selected so that they are especially small.
35 En el documento DE 29 29 488 A1 y el documento JP 62 248368 A se dan a conocer dispositivos de medición de longitud en los que un carro de exploración se empuja por medio de fuerza magnética contra una regla graduada. En el documento DE 29 29 488 A1 se coloca para ello una regleta guía sobre la regla graduada, que interacciona con imanes del carro de exploración. 35 Document DE 29 29 488 A1 and document JP 62 248368 A disclose length measuring devices in which an exploration car is pushed by magnetic force against a graduated ruler. In document DE 29 29 488 A1, a guide strip is placed on the graduated ruler, which interacts with magnets of the exploration carriage.
Los requisitos en cuanto a los dispositivos de medición de longitud son cada vez mayores, continuamente se necesitan una mayor resolución así como una mayor precisión y reproducibilidad de la medición de posición. A este respecto deberá existir una construcción mecánica compacta y el dispositivo de medición de longitud deberá poder fabricarse de forma rentable. The requirements regarding the length measurement devices are increasing, a higher resolution is continuously needed as well as a greater accuracy and reproducibility of the position measurement. In this respect there must be a compact mechanical construction and the length measuring device must be able to be manufactured cost-effectively.
45 La invención se basa en el objetivo de crear un dispositivo de medición de longitud con alta precisión de medición, que pueda fabricarse de forma rentable. The invention is based on the objective of creating a length measuring device with high measurement precision, which can be manufactured cost-effectively.
Este objetivo se soluciona según la invención mediante las características de la reivindicación 1. This objective is solved according to the invention by the features of claim 1.
Estos requisitos requieren un dispositivo de medición de longitud encapsulado con regla graduada alojada de forma protegida. Una alta resolución produce una distancia de exploración cada vez menor y constante a lo largo de toda la longitud de medición. Esto se consigue mediante el guiado del carro de exploración en la regla graduada, estando ésa acoplada al carro de exploración en el mecanismo de arrastre a través de un acoplamiento rígido sólo en la dirección de medición, para el guiado preciso, imperturbado, del carro de exploración. Este acoplamiento posibilita These requirements require an encapsulated length measuring device with graduated ruler housed in a protected manner. A high resolution produces a smaller and constant scanning distance along the entire measurement length. This is achieved by guiding the scan car in the graduated ruler, which is coupled to the scan car in the drive mechanism through a rigid coupling only in the measurement direction, for precise, undisturbed guidance of the carriage. exploration. This coupling enables
55 en todas las demás direcciones un movimiento del mecanismo de arrastre sin repercusión sobre el guiado preciso y el movimiento del carro de exploración en la dirección de medición. El carro de exploración está guiado en dos superficies guía de la regla graduada que discurren en perpendicular entre sí para el guiado recto preciso y se presionan contra las mismas, provocándose la fuerza de apriete mediante fuerza magnética entre al menos un primer elemento del carro de exploración y un segundo elemento previsto en la carcasa no magnética. 55 in all other directions a movement of the drive mechanism without impact on the precise guidance and movement of the scan carriage in the measurement direction. The scanning carriage is guided on two guide surfaces of the graduated ruler that run perpendicular to each other for precise straight guidance and are pressed against them, causing the clamping force by magnetic force between at least a first element of the scanning carriage and a second element provided in the non-magnetic housing.
Con la invención se posibilita una construcción compacta de un dispositivo de medición de longitud, pudiendo alcanzarse también una alta precisión de medición y una medición de posición reproducible. With the invention, a compact construction of a length measuring device is possible, and high measurement accuracy and reproducible position measurement can also be achieved.
En el caso del dispositivo de medición de longitud realizado según la invención, la fuerza de apriete, con la que el In the case of the length measuring device according to the invention, the clamping force, with which the
65 carro de exploración se empuja contra la regla graduada, es independiente del montaje. Es decir, la distancia entre el carro de exploración y el mecanismo de arrastre no influye en la fuerza de apriete. 65 exploration car is pushed against the graduated ruler, it is independent of the assembly. That is, the distance between the scan carriage and the drive mechanism does not influence the clamping force.
El guiado del carro de exploración en la regla graduada garantiza un guiado paralelo exacto con respecto a la graduación de medición, dado que las superficies de la regla graduada están orientadas de manera definida hacia el curso de la graduación de medición. The guidance of the scan carriage in the graduated ruler guarantees an exact parallel guidance with respect to the measurement graduation, since the surfaces of the graduated ruler are oriented in a defined manner towards the course of the measurement graduation.
5 En las reivindicaciones dependientes se indican configuraciones ventajosas de la invención. Advantageous configurations of the invention are indicated in the dependent claims.
La invención se explica en detalle con ayuda de un ejemplo de realización. The invention is explained in detail with the aid of an exemplary embodiment.
A este respecto muestra In this regard it shows
la figura 1 un corte parcial de un dispositivo de medición de longitud transversal a la dirección de medición y la figura 2 una vista en perspectiva del carro de exploración con una parte de la carcasa del dispositivo de medición de longitud según la figura 1. 1 shows a partial section of a measuring device of length transverse to the measuring direction and FIG. 2 a perspective view of the scanning carriage with a part of the housing of the measuring device according to FIG. 1.
15 La invención está representada en el ejemplo de un dispositivo óptico de medición de longitud, con el que se medirá la posición relativa de dos objetos 1 y 2 que pueden desplazarse uno contra otro en la dirección de medición X. A este respecto se explora una regla graduada transparente 20, especialmente de vidrio, por un carro de exploración 10 que puede moverse en la dirección de medición X con respecto a la regla graduada 20. La regla graduada 20 presenta una graduación de medición 21, que se explora por el carro de exploración 10 a trasluz. Para ello el carro de exploración 10 comprende una unidad de iluminación 11, que emite un haz de luz que discurre a través de la regla graduada 20 y finalmente alcanza sensores de exploración 12 fotosensibles del carro de exploración 10. El haz de luz se modula en función de la posición a este respecto por la graduación de medición 21 en la regla graduada The invention is represented in the example of an optical length measuring device, with which the relative position of two objects 1 and 2 that can be moved against each other in the measuring direction X will be measured. transparent graduated ruler 20, especially of glass, by an exploration carriage 10 that can move in the measuring direction X with respect to the graduated ruler 20. The graduated ruler 20 has a measuring graduation 21, which is scanned by the carriage of 10 light scan. For this, the scanning carriage 10 comprises a lighting unit 11, which emits a beam of light that runs through the graduated ruler 20 and finally reaches photosensitive scanning sensors 12 of the scanning carriage 10. The light beam is modulated in function of the position in this respect by measuring graduation 21 in the graduated ruler
20. twenty.
25 La regla graduada 20 está dispuesta en el interior de una carcasa 22, que está fijada a su vez en el objeto 2 que va a medirse, por ejemplo un banco de máquina de una máquina herramienta. La regla graduada 20 está conectada a este respecto de manera conocida con la carcasa 22, por ejemplo mediante pegado o apriete. La carcasa 22 presenta un su dirección longitudinal una hendidura que discurre en la dirección de medición X, que está cerrada por faldas de obturación adecuadas en forma de techo, mediante las que alcanza un mecanismo de arrastre 13 con una pieza intermedia en forma de espada. El mecanismo de arrastre 13 presenta una zona de montaje 131, con la que puede fijarse al objeto 1 que puede desplazarse con respecto al banco de máquina 2, por ejemplo a un carro de la máquina herramienta puede fijarse. 25 The graduated ruler 20 is arranged inside a housing 22, which is fixed in turn on the object 2 to be measured, for example a machine bench of a machine tool. The graduated ruler 20 is connected in this respect in a known manner with the housing 22, for example by gluing or tightening. The housing 22 has a groove in its longitudinal direction which runs in the measuring direction X, which is closed by suitable roof-shaped sealing skirts, by means of which a trailing mechanism 13 with an intermediate piece in the form of a sword is reached. The drive mechanism 13 has a mounting area 131, with which it can be fixed to the object 1 which can be moved with respect to the machine bench 2, for example to a carriage of the machine tool can be fixed.
Entre el carro de exploración 10 y el mecanismo de arrastre 13 está dispuesto un acoplamiento 14 que acopla el A coupling 14 is arranged between the scan carriage 10 and the drive mechanism 13 which couples the
35 carro de exploración 10 al mecanismo de arrastre 13 de manera rígida en la dirección de medición X y de manera flexible en perpendicular a la misma. Mediante esta medida no se transfieren al carro de exploración 10 desalineaciones del mecanismo de arrastre 13. El acoplamiento 14 está representado sólo esquemáticamente. Está formado de manera en sí conocida por ejemplo según el documento EP 0 733 882 B1 como acoplamiento de bola, en el que una bola de material ferromagnético está sujeta y soportada por medio de fuerza magnética, a través de fuerza magnética entre una superficie del mecanismo de arrastre 13 que discurre en perpendicular a la dirección de medición y una superficie del carro de exploración 10 que discurre en perpendicular a la dirección de medición. 35 scan carriage 10 to the drive mechanism 13 rigidly in the measuring direction X and flexibly perpendicular thereto. By this measure, 10 misalignments of the drive mechanism 13 are not transferred to the scan carriage. The coupling 14 is only schematically represented. It is formed in a manner known per se for example according to EP 0 733 882 B1 as a ball coupling, in which a ball of ferromagnetic material is held and supported by magnetic force, through magnetic force between a surface of the mechanism drag 13 that runs perpendicular to the measurement direction and a surface of the scan carriage 10 that runs perpendicular to the measurement direction.
El carro de exploración 10 está guiado para el guiado paralelo exacto a lo largo de la regla graduada 20 en la misma. El carro de exploración 10 se apoya para ello sobre elementos guía 151 a 155 contra dos superficies 201, 202 de la The exploration carriage 10 is guided for exact parallel guidance along the graduated ruler 20 therein. The scanning carriage 10 rests on guide elements 151 to 155 against two surfaces 201, 202 of the
45 regla graduada 20 orientadas en perpendicular una respecto a otra. Una de estas superficies es la superficie 201 que porta la graduación de medición 21 y la otra un lado estrecho 202 de la regla graduada 20 que discurre en perpendicular a la misma. Los elementos guía pueden ser elementos deslizantes, pero especialmente rodillos o rollos 151 a 155 apoyados en rodamientos de bolas. 45 graduated ruler 20 oriented perpendicular to one another. One of these surfaces is the surface 201 that carries the measurement graduation 21 and the other a narrow side 202 of the graduated ruler 20 that runs perpendicular to it. The guide elements may be sliding elements, but especially rollers or rolls 151 to 155 supported by ball bearings.
El carro de exploración 10 se empuja mediante la interacción de elementos magnéticos 161 y 261 así como 162 y 262 contra las superficies 201, 202 de la regla graduada 20. Esta fuerza de apriete se provoca mediante una fuerza magnética entre al menos un primer elemento 161, 162 del carro de exploración 10 y al menos un segundo elemento 261, 262 previsto en la carcasa 22. La expresión material magnético define un material que es ferromagnético o que es permanentemente magnético. Especialmente, el primer elemento es un imán permanente 161, 162 y el segundo The scanning carriage 10 is pushed by the interaction of magnetic elements 161 and 261 as well as 162 and 262 against the surfaces 201, 202 of the graduated ruler 20. This clamping force is caused by a magnetic force between at least a first element 161 , 162 of the scanning carriage 10 and at least a second element 261, 262 provided in the housing 22. The term "magnetic material" defines a material that is ferromagnetic or that is permanently magnetic. Especially, the first element is a permanent magnet 161, 162 and the second
55 elemento 261, 262 un elemento de material ferromagnético colocado en la carcasa 22. Los imanes permanentes 161, 162 son especialmente de NdFeB. Element 261, 262 an element of ferromagnetic material placed in the housing 22. Permanent magnets 161, 162 are especially NdFeB.
La carcasa 22 está fabricada en material no magnético, especialmente es un perfil extruido de aluminio. Esto tiene la ventaja de que en el perfil 22 pueden formarse diversos elementos funcionales, por ejemplo para el montaje en el objeto 2 que va a medirse, soportes o alojamientos para la regla graduada 20 así como alojamientos para las faldas de obturación sin mayor esfuerzo. Esta posibilidad se aprovecha con la invención formándose en la carcasa 22 ranuras 231, 232 para la introducción de bandas 261, 262. Las bandas 261, 262 son de acero ferrítico. The housing 22 is made of non-magnetic material, especially it is an extruded aluminum profile. This has the advantage that in the profile 22 various functional elements can be formed, for example for mounting on the object 2 to be measured, supports or housings for the graduated ruler 20 as well as housings for the sealing skirts without much effort. This possibility is used with the invention by forming 22 slots 231, 232 in the housing for the introduction of bands 261, 262. The bands 261, 262 are made of ferritic steel.
El carro de exploración 10 se apoya con los elementos guían, especialmente varios rollos apoyados en rodamiento The exploration carriage 10 is supported with the guide elements, especially several rolling-supported rolls
65 de bolas 151, 152, 153 sobre la superficie 201. La fuerza de apriete Fz del carro de exploración 10 contra esta superficie 201 está orientada en perpendicular a esta superficie 201 y se genera mediante la interacción del imán 161 fijado en el carro de exploración 10 y de la banda de acero 261 insertada en la ranura 231. La banda de acero 261 discurre en paralelo a la superficie 201 en la dirección de medición X y se encuentra enfrente del imán 161, concretamente a una distancia de aproximadamente 0,8 mm. La fuerza de apriete Fz asciende aproximadamente a 2,3 N. 65 of balls 151, 152, 153 on the surface 201. The clamping force Fz of the scanning carriage 10 against this surface 201 is oriented perpendicular to this surface 201 and is generated by the interaction of the magnet 161 fixed in the scanning carriage 10 and of the steel band 261 inserted in the groove 231. The steel band 261 runs parallel to the surface 201 in the measuring direction X and is in front of the magnet 161, specifically at a distance of approximately 0.8 mm . The clamping force Fz amounts to approximately 2.3 N.
5 En perpendicular a ello se apoya el carro de exploración 10 con los elementos guía, especialmente con varios rollos 154 y 155 apoyados en rodamiento de bolas sobre la superficie 202. La fuerza de apriete Fy del carro de exploración 10 contra esta superficie 202 está orientada en perpendicular a esta superficie 202 y se genera mediante la interacción del imán 162 fijado en el carro de exploración 10 y la banda de acero 262 insertada en la ranura 232. La 5 Perpendicular to this, the scanning carriage 10 is supported with the guide elements, especially with several rolls 154 and 155 supported by ball bearings on the surface 202. The clamping force F and of the scanning carriage 10 against this surface 202 is oriented perpendicular to this surface 202 and is generated by the interaction of the magnet 162 fixed in the scanning carriage 10 and the steel band 262 inserted in the groove 232. The
10 banda de acero 262 discurre en paralelo a la superficie 202 en la dirección de medición X y se encuentra enfrente del imán 162, concretamente a una distancia de aproximadamente 0,8 mm. La fuerza de apriete Fy asciende aproximadamente a 1,8 N. 10 steel band 262 runs parallel to the surface 202 in the measuring direction X and is in front of the magnet 162, specifically at a distance of approximately 0.8 mm. The clamping force Fy amounts to approximately 1.8 N.
Los dos rollos 154 y 155 están dispuestos simétricamente con respecto al imán 162 y los dos rollos 151 y 153 están The two rolls 154 and 155 are arranged symmetrically with respect to the magnet 162 and the two rolls 151 and 153 are
15 dispuestos simétricamente con respecto al imán 161, estando dispuestos los rollos 152 en la posición X del imán 161, lo que corresponde a la posición de corte representada en la figura 1. La disposición espacial de los rollos 151 a 155 y las fuerzas de apriete Fy y Fz generadas mediante fuerza magnética están diseñadas de tal manera que las fuerzas que aparecen contra cada uno de los rollos 151 y 155 son al menos aproximadamente iguales, en el ejemplo aproximadamente 0,8 N. Las fuerzas de apriete Fy, Fz generadas mediante fuerza magnética están dirigidas y 15 arranged symmetrically with respect to the magnet 161, the rolls 152 being arranged in the X position of the magnet 161, which corresponds to the cutting position shown in Figure 1. The spatial arrangement of the rolls 151 to 155 and the clamping forces Fy and Fz generated by magnetic force are designed in such a way that the forces that appear against each of the rolls 151 and 155 are at least approximately equal, in the example approximately 0.8 N. The tightening forces Fy, Fz generated by magnetic force are directed and
20 dimensionadas de tal manera que al fuerza Fr que resulta de las mismas discurre al menos aproximadamente a través del centro de gravedad S del carro de exploración 10. 20 sized in such a way that the force Fr resulting therefrom runs at least approximately through the center of gravity S of the scanning carriage 10.
El tamaño y el grosor de los imanes 161, 162 así como la distancia a la banda de acero 261, 262 correspondiente se selecciona de tal manera que se modifique lo menos posible la fuerza magnética en el caso de una modificación de The size and thickness of the magnets 161, 162 as well as the distance to the corresponding steel band 261, 262 is selected such that the magnetic force is modified as little as possible in the case of a modification of
25 la distancia. Es decir, la distancia se sitúa en una zona lo más plana posible de la línea característica fuerza magnética-distancia. 25 the distance. That is, the distance is located in an area as flat as possible of the characteristic magnetic force-distance line.
La fijación de los imanes 161, 162 tiene lugar de manera especialmente ventajosa en un alojamiento en forma de bolsillo 17 del carro de exploración 10. Tal como se representa en la representación en corte de la figura 1 en el The fixing of the magnets 161, 162 takes place particularly advantageously in a pocket-shaped housing 17 of the scan carriage 10. As shown in the sectional representation of Figure 1 in the
30 ejemplo del imán 162, el alojamiento 17 está formado de tal manera que el imán 162 pude insertarse en el alojamiento 17 y encaja el imán 162. En el estado insertado, el imán 162 se sujeta por un saliente 181 de una lengüeta elástica 18. Es decir, el imán 162 encaja en el alojamiento 17. 30 example of the magnet 162, the housing 17 is formed such that the magnet 162 can be inserted into the housing 17 and the magnet 162 fits. In the inserted state, the magnet 162 is held by a shoulder 181 of an elastic tongue 18. That is, magnet 162 fits into housing 17.
En el caso del ejemplo explicado con todo detalle, el primer elemento del carro de exploración 10 es al menos un In the case of the example explained in detail, the first element of the scan carriage 10 is at least one
35 imán permanente 161, 162, concretamente para la fuerza de apriete Fx el imán permanente 161 y para la fuerza de apriete Fy el imán permanente 162. El segundo elemento son las dos bandas de acero 261 y 262 introducidas en ranuras 231, 232. Alternativamente a esto, las bandas de acero 261, 262 pueden pegarse también en los lados internos de la carcasa 22. Una modificación adicional sería sustituir las bandas de acero 261, 262 por bandas magnéticas, es decir por imanes permanentes en forma de banda, que están introducidos en ranuras de la carcasa o 35 permanent magnet 161, 162, specifically for the clamping force Fx the permanent magnet 161 and for the clamping force F and the permanent magnet 162. The second element is the two steel bands 261 and 262 inserted in grooves 231, 232. Alternatively to this, the steel bands 261, 262 can also be glued to the inner sides of the housing 22. A further modification would be to replace the steel bands 261, 262 with magnetic bands, that is to say permanent bands in the form of bands, which are inserted into housing slots or
40 que están pegados en la carcasa y que generan la fuerza de apriete necesaria con imanes permanentes o con elementos ferromagnéticos del carro de exploración. 40 that are glued to the housing and that generate the necessary clamping force with permanent magnets or with ferromagnetic elements of the exploration carriage.
La invención no está limitada al principio de exploración óptica. La exploración de la regla graduada puede ser también capacitiva, magnética o inductiva, para lo que la graduación de medición y los sensores de exploración han The invention is not limited to the principle of optical scanning. The exploration of the graduated ruler can also be capacitive, magnetic or inductive, for which the measurement graduation and the scanning sensors have
45 de diseñarse de manera correspondiente. 45 of corresponding design.
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